4.3　主板的结构

主板的平面是一块PCB印制电路板，常用的为四层板，有主信号层、接地层、电源层、次信号层。而六层板增加了辅助电源层和中信号层。六层PCB主板的抗电磁干扰能力增强，主板更稳定。主板上面主要有一个CPU插座；北桥芯片、南桥芯片、BIOS芯片等三大芯片；前端系统总线FSB、内存总线、图形总线AGP、数据交换总线HUB、外设总线PCI五大总线；软驱接口FDD、通用串行设备接口USB、集成驱动电子设备接口IDE等七大接口。主板的基本结构、主板外部接口如图4-2和图4-3所示。

4.3.1　双芯片结构

双芯片结构主板是目前市场上常见的，也是一种传统的主板结构，双芯片指南桥芯片和北桥芯片。计算机在正常运行时对系统内存、存储设备和其他I/O设备的操控都必须通过主板来完成，而主板对各部件的控制主要通过北桥芯片和南桥芯片来实现。北桥芯片通过前端总线（FSB）直接连接到处理器。内存控制器位于北桥芯片上，这样可让CPU快速访问内存。北桥芯片还连接到AGP或PCI Express总线并与内存连接。南桥芯片要比北桥芯片慢，而且CPU中的信息必须经过北桥芯片才能到达南桥芯片。其他总线将南桥芯片连接到PCI总线、USB端口、软驱接口、串行接口、并行接口、BIOS芯片以及IDE或SATA硬盘接口等。因此说，北桥芯片和南桥芯片是主板的“灵魂”。

当系统加电时，电流会在瞬间通过CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板边缘的串口、并口、PS/2接口等。随后，主板会根据BIOS（基本输入/输出系统）来识别硬件，并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能。主板不仅是承载计算机关键设备的基础平台，而且还起着硬件资源调度中心的作用，担负各种计算机配件之间的通信、控制和传输任务。双芯片主板结构示意图如图4-4所示。

4.3.2　单芯片结构

一直以来，主板芯片组都采用南北桥结构，但在主板芯片组中，也有单芯片结构。

最初的单芯片主板设计是集南桥芯片与北桥芯片于一身。因为节省了一块芯片，首先在制造成本上得到了控制。其次，单芯片缩短了南北桥之间通信时间的延迟，因此数据传输速度有所提升。但早期的单芯片主板设计有较大的弊端，一是发热量大，对散热系统要求较高；二是集成度高，设计相对复杂，同时会增加主板布线难度。因此，很多芯片厂商在尝试之后又纷纷转为双芯片的主板设计。

自从Intel确立了处理器采用内存控制器内置化的架构之后，开始采用单芯片架构主板芯片组，P55是Intel单芯片架构的第一款主板芯片组，而传统的MCH+ICH的组合也就变成了PCH单芯片的结构。随着Intel与AMD的新一代处理器，已经将传统北桥的大部分功能都整合在了CPU内部，Intel的Clarkdale与Sandybridge处理器则是完全整合北桥芯片，与其搭配的P55/H55/P67/H67等芯片组其实就是一颗南桥。图4-5所示为单芯片结构的Intel P55主板。

双芯片系统是CPU+北桥+南桥，单芯片系统是CPU+南桥，北桥从单独的芯片被整合到CPU内。从系统对比和结构对比可以看到，单芯片系统就意味着主板上只有一片芯片组，原来北桥芯片组内的控制器件分别被移到CPU和PCH芯片内。CPU和PCH通过DMI总线相互连接，但只是位置的移动，原来的功能和性能并没有削弱或取消，甚至会增强。例如高速QPI总线，它是芯片之间的互连总线，由于图形控制器在X58芯片内，处理器和X58之间通过QPI总线互连。Lynn Field处理器整合了图形控制器，QPI总线自然配置在处理器内。

单芯片系统是十几年集成电路技术进步的结果，芯片互连串行总线（AMD的HT，Intel的QPI）为单芯片系统提供了逻辑基础。45nm/32nm工艺让同样面积的硅片可以集成更多的晶体管。高电介质（HIGH-K）技术解决了MOSFET漏电流较大的难题。这两种技术使得处理器整合图形控制器和内存控制器成为现实。

单芯片设计优势明显。首先，节省主板空间，因为主板上去掉了北桥芯片，相对X58主板来说，节省了4cm×4cm的面积，CPU插座向板中心移动，增加了CPU供电部分的空间。MOSFET、电感、电容不再拥挤，布线宽松。既有利于MOSFET散热，又有利于降低分布电容。供电电路可以提供更洁净更稳定的电流。其次，降低布线难度，使布线空间更加宽松，线迹、线距都可以适当放宽，有利于信号的稳定。除此之外，由于芯片互连串行总线、高电介质（HIGH-K）等技术的应用使得系统功耗降低，效能提高，同时使系统运行速度更快、更稳定。

4.3.3　主板上的主要芯片

1.北桥芯片

北桥芯片（MCH）是主板上最大、最重要的芯片，通常位于CPU、内存、AGP插槽之间（一般上面有一铝质的散热片），如图4-6所示。北桥芯片的主要功能是数据传输与信号控制。它一方面通过前端总线与CPU交换信号，另一方面又要与内存、AGP、南桥交换信号。北桥芯片是CPU与外围设备之间联系的纽带，负责控制主板，决定主板可以支持CPU的种类、内存类型和容量等。

2.南桥芯片

南桥芯片（ICH4）是主板的第二大芯片，通常位于PCI插槽旁边（见图4-7）。南桥芯片主要负责外围设备的数据处理以及各种总线和系统的传输性能，让所有的资料都能有效传递。比ICH4早的有ICH1、ICH2、ICH3，但它们不支持USB 2.0，而ICH4支持USB 2.0。区分它们也很简单：南桥芯片上有82801AB、82801BB、82801CB、82801DB分别对应ICH1、ICH2、ICH3、ICH4。南桥芯片损坏后的现象多为主机不能正常启动，某些外围设备不能正常使用，如IDE口、FDD口等不能使用，就可能是南桥芯片坏了。因为南北桥芯片比较贵，焊接又比较特殊，取下它们需要专门的BGA测试仪，所以一般的维修点无法修复南北桥芯片。

3.BIOS芯片

BIOS芯片（FWH）是一个只读存储器，其中保存着POST自检和系统自举、基本输入/输出程序等信息，是软件和硬件之间最重要的接口（见图4-8）。系统启动时首先从它这里调用一些硬件信息，它的性能直接影响系统软件与硬件的兼容性。例如，一些早期的主板不支持大于20GB的硬盘等问题，都可以通过升级BIOS来解决。日常使用时遇到的一些与新设备不兼容的问题也可以通过升级来解决。如果显示器突然不显示了，而CPU风扇仍在转动，那么首先应该考虑BIOS芯片是否损坏。

4.系统时钟发生器（CLK）

在主板的中间位置有个晶振元件（见图4-9），它会产生一系列高频脉冲波，这些原始的脉冲波再输入到时钟发生器芯片内，经过整形与分频，然后分配给计算机需要的各种频率。

5.超级输入/输出接口芯片（I/O）

它一般位于主板的左下方或左上方（见图4-10），主要芯片有Winbond与ITE，它负责把键盘、鼠标、串口进来的串行数据转化为并行数据。同时也对并口与软驱口的数据进行处理。诸如键盘与鼠标接口故障，打印接口故障等一些外设不能使用，多为I/O芯片坏，有时甚至造成系统不能正常启动的现象。

6.声卡芯片

现在的主板多数都集成了声卡，而且集成的多为AC'97声卡芯片（见图4-11），也有CMI的8738声卡芯片等。如果集成声卡没有声音，声卡芯片出现故障的可能性最大。

4.3.4　主板上主要的插座及接口

1.CPU插座

CPU插座是放置并固定CPU的地方。当CPU放置在CPU插座上后，插座周围的支架可固定CPU的散热片。根据主板支持的CPU不同，CPU的插座也不同，其主要表现在CPU针脚数的不同。目前主流的Intel CPU插座有奔腾、酷睿2系列的LGA 775，酷睿i7的LGA 1366接口，5、i3的LGA 1156；AMD CPU插座从AM2升级到了AM2+以及AM3接口。图4-12～图4-14所示为CPU各种类型插座。

2.内存插槽

内存插槽是用来安装内存条的，它是主板上必不可少的插槽，一般主板上都有2～4个内存插槽，方便升级时使用。目前市场上的内存主要为DDR3内存，图4-15所示为双通道的DDR3内存插槽。

3.PCI-E总线扩展槽

PCI-E（PCI Express）是最新的总线和接口标准，目前主要应用在显卡的接口上。PCI-E接口采用目前流行的点对点串行连接，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率。PCI-E传输速度目前最高可达到10 Gbit/s以上，而且还有相当大的发展潜力。目前的主流是PCI-E 1.0、PCI-E 2.0，而最新7系列主板和X79主板都可以支持PCI-E 3.0标准。图4-16所示为PCI-E总线扩展槽。

4.PCI总线扩展槽

PCI总线扩展槽呈现为白色，在显卡的旁边（见图4-17），因主板不同，其数量不等。它的频率为32MHz，多用于网卡、声卡等其他一些外设。

5.IDE接口

IDE接口现在已很少使用，但主板上依然提供IDE接口，它一般位于主板的下面，有40针80线（见图4-18）。经常见到两个IDE口并在一起，通常表示为IDE1和IDE2。IDE接口主要用于连接IDE设备，主要是硬盘和光驱。IDE接口有主从之分，如果两个接口分别连接两块硬盘，那么IDE1接口上的硬盘为主硬盘，连接在IDE2接口上的硬盘为从硬盘；如果在同一个接口上连接两块硬盘，则必须通过硬盘跳线设置一个硬盘为主盘，另一个为从盘，计算机一般都是从主盘进行系统启动。

6.SATA接口

SATA（Serial ATA）接口即串行ATA接口，它是目前硬盘和光驱常用的一种新型接口类型。SATA接口采用串行方式传输数据，在同一时间点内只会有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用4个针就完成了所有的工作。其中，SATA 1.0定义的数据传输速率可达150MB/s，SATA 2.0定义的数据传输速率可达300MB/s，SATA 3.0定义的数据传输速率可达600MB/s。图4-19所示为SATA接口。